本科毕业论文---大米加工生产线集中控制系统的.doc

大米加工生产线集中控制系统的设计
第1章 绪论
随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。而生产过程自动控制是自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。PLC于20世纪60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。1976年正式命名，并给予定义：PLC（Programmable logic Controller）是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。
随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。本次设计的大米加工生产线控制系统是以PLC为核心控制器，并结合昆仑组态软件MCGS，辅以光电传感器，继电器等实现的可远程控制的集成系统。它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
1.1 本课题研究的目的、意义
现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用可编程序逻辑控制器（PLC）[1]控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。
本论文是对现在大量使用的大米生产线控制系统进行自动化设计改造。现有的控制系统很大部分是采用老式的继电器触点控制，系统故障率高，工人劳动强度大，系统设备升级困难。大米生产过程中，如果系统控制不当，则会出现杂质、碎米率大、加工精度不易控制等问题。为了提高系统的自动化水平，解决大米生产中产生的这些问题，利用现代化的PLC与MCGS组态结合的集中控制技术，在一定程度上能够提高劳动生产率，改善劳动条件，克服人为的不稳定因素，为现代化的生产管理提供强有力的物质条件，以达到系统自动化控制和系统升级的目的。
1.2 PLC的简介
可编程序控制器（Programmable Logic Controller ）简称PLC, 是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机[2]。PLC是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。
1.2.1 PLC的特点及应用
可编程序控制器（PLC）得以迅速发展和广泛使用的原因是由于它具有继电接触器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具备的特点：
1．运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强
2．设计、使用和维护方便
3．编程语言直观易学
4．与网络技术相结合
5．体积小、质量轻、能耗低[3]
可编程控制器所具有的功能，使它既可用于开关量控制，又可用于模拟量控制；既可用于单机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。它的应用可大致归纳为如下几类：逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理、多级控制。
1.3 论文主要研究内容
本篇论文主要论述了如何用三菱FX-2N系列PLC设计大米加工生产线集中控制系统。从而实现系统所需要的各项功能，满足设计要求。本文研究内容主要是以PLC控制整个生产过程，其内容有以下几个方面：
1．接通电源开关后，将设备模式旋转到自动定量输送物料模式，将所有阀门旋转到关闭位置；
2．按下启动按钮，利用真空泵把原料吸进吸料漏斗内。由吸料漏斗落入预量漏斗，再由预量漏斗落入称量漏斗。通过称重传感器实现自动称量控制；
3．原料由称量漏斗进入砻谷缸，当原料达到砻谷缸设定的位置时，关闭进料阀门开始砻谷，砻谷后，启动鼓风机，进行谷糙分离，分离时，糙米预存缸的进料阀门打开；
4．谷糙分离完毕后，糙米预存缸内开始进行碾米，碾米结束后，起动振动电机筛选碾好的大米，利用鼓风机与高压空气推出大米，通过高压输管送入料笼。
1.4 论文组成
对大米加工生产线集中控制系统的设计论文主要从机械和电气两方面进行设计和说明。
第一章讲述的是课题研究意义和目的以及简单地介绍了以下PLC的有关内容如：PLC特点、PLC的应用和发展趋势、PLC的结构、PLC的工作方式等等。
第二章讲述系统概述及控制方案设计，包括制系统设计目标控制系统设计内容，大米加工生产线集中控制系统方案选择论证。
第三章是本次论文设计的核心部分之一：控制系统的硬件设计。它包括了控制系统分析及元件选择， PLC控制系统I/O点数的估算，PLC及主要模块的选型
控制系统的I/O地址分配，控制系统电路设计。
第四章讲述的是软件设计。包括PLC控制系统梯形图，PLC控制系统程序的编制方法选择，主要模块程序设计和模拟量输入的算法设计。
第五章讲述的是监控界面的设计。包括系统操作界面，系统参数界面，报表界面，也是本设计的核心控制部分。
第2章 控制系统方案设计
随着我国工业自动化水平的不断提高，对大米加工生产线集中控制系统的自动化程度也提出了更高的要求。传统的大米加工生产线多采用继电器[8]控制电路实现控制要求，机械触点多，可靠性差，控制设备体积大。近年来，随着计算机技术的发展，机械和电气化程度的提高，新技术产品PLC由于其特有的优点，已广泛地用于粮食加工行业。
2.1 大米加工生产线集中控制系统设计要求
2.1.1 控制系统设计目标控制系统设计内容
根据大米加工生产线集中控制系统设计的要求，要求达到以下目标:
1．设备具有全自动模式。
2．可远程监控大米加工情况，并对加工量进行历史记录。
3．保证出糙率和大米加工精度。
根据课题要求，该控制系统的设计主要有以下内容：
1．真空吸料：用一台真空泵将待发原料吸入吸料漏斗，保证原料的称料供应；
2．称量设定：面板人工设置一次加工需要量，通过称重传感器实现自动称量控制；
3．砻谷控制：检测垄谷缸内的原料位置，到达设定值时实现自动砻谷控制；
4．大米接收：砻谷完毕，启动鼓风机进行谷糙分离，分离出的糙米进入碾米缸继续加工，加工后，自动打开缸门，利用鼓风机和高压空气将经过筛选的大米送入料仓。2.1.2 控制系统的主要工艺流程
如图2.1所示大米加工生产线集中控制系统的工艺流程图，可知该集中控制系统的工作过程大概如下：
原料先置于缸内或传送袋内，通过真空泵吸入吸料漏斗，由吸料漏斗再自动落入预量漏斗，由于吸料漏斗为真空，预量漏斗在此起缓冲作用。原料由预量漏斗落入称量漏斗，待光电开关检测到原料达到设定位置时，关闭放料阀门，进行称量，取得数据后，再打开放料阀门，让称好的稻谷进入砻谷缸进行砻谷，砻谷完毕后，启动鼓风机，让糙米和谷壳经过振动电机进行谷糙分离，糙米进入碾米缸进行碾米，碾米结束后起动振动筛，让合格的大米颗粒进入填料器，鼓风机和高压空气将经过筛选的大米送入料仓。
谷仓
或传送袋

高压风机
注入式
填料器

碾米缸

砻谷缸

称量漏斗

预量漏斗

吸料漏斗

料仓

直
径
为50
的
pvc
管

高压输管
振动筛
原料 自动落入

原料 自动落入

鼓风机
图2.1 工艺流程图

2.2 大米加工生产线集中控制系统方案选择论证
由基于PLC的大米加工生产线集中控制系统的工艺过程可知，整条生产线三个单元功能相对独立且分散，但又需要相互连锁协调。这需要一个控制系统进行指挥控制。这些都给控制系统提出了较高要求，需要采用先进的控制技术和控制方法，以提高工程质量并简化控制线路的复杂性，兼顾降低项目成本。故本课题控制系统选型的基本原则如下：
1.采用先进、可靠、成熟的控制技术以提高系统可靠性；
2.采用模块化设计，提高通用性及设备效率，易于维护；
3.适应今后的技术发展、要求，系统有较高的可扩展性[7]。
控制系统一般采用PLC控制或继电器-接触器控制系统。PLC的控制与继电器的控制差别有以下几个方面。
1. 控制逻辑
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂，体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每只只有4～8对触电，因此灵活性和扩充性很差。而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存内，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故成为“软接线”。其接线少，体积小，因此灵活性和扩展性都很好。PLC中大规模集成电路组成，功耗小。
2.工作方式
电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都应受到某种条件限制不能吸合，它属于并联工作方式。而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描中，属于串联工作方式。
3.可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路完成，体积小，寿命长，可靠性高。PLC还配有自检和监控功能。能检查出自身的故障。并随时显示给操作人员。还能动态地监视控制程序的执行情况。为现场调试和维护提供了方便。
4.控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十ms数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制。属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在μm数量级，而不会出现抖动。
5.定时控制
继电器逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精确度的不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高。且定时时间不受环境的影响，定时范围一般从0.001s到若干天或更长。用户可以根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间[8]。
从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比控制逻辑优异，特别是可靠性高，设计施工周期短，调试修改方便，而且体积小，功耗低，使用维护方便，但在很小的系统中使用时，价格要高于继电器控制系统。
可编程序逻辑控制器（PLC）采用微处理器作为控制系统的核心，内含存储器、运算器、控制器，根据工业控制过程的特点，进行专门的电路设计，是一种通用的标准的工业控制计算机。PLC的输入、输出模块与主模块组装在一起，不需要另外的接口，可以直接与行程开关等传感器及驱动执行机构的电磁线圈连接在一起，使控制系统比较简单。PLC根据类似于继电器控制系统的梯形图进行程序设计，简单明了。与继电器控制相比较，PLC性能好价格低，功率价格适中[9]。
根据上述分析，PLC是现阶段基于PLC的泡沫发泡机控制系统最理想的控制机。所以本设计选用PLC作为系统控制机。下面是对选定方案的分析：
1.可行性分析
A.功能可行性分析：由于系统各主要部分所需要满足的功能步骤及要求大多是开关量信号，所以选择可编程序逻辑控制器是完全能够满足其功能要求的。
B.系统可靠性分析：系统设置了光电检测开关，对整条生产线进行监控，使系统可靠性得到了进一步的保证。
C.系统扩展性分析：系统采用PLC作为控制器，其本身就具有极强的功能扩展性，加之PLC产品的完整性，使得系统功能扩展极其方便。
D.系统可维护性分析：系统采用先进控制方式，大大降低了工程成本，并由于系统组态及结构简单，这使得可维护性增强。
2.技术性能
A．吸料漏斗物位的控制；
B．欲量漏斗物位的控制；
C．垄米，碾米时间限制；
D．阀门受阻时进行故障报警；
E．整个工作流程的自动化。
本课题所设计的基于PLC的大米加工生产线集中控制系统，利用可编程序控制器和传感器，克服了人为的不稳定因素，充分利用了现代先进技术，提高了劳动生产率，为现代化的生产管理提供了强有力的物质条件。

第3章 系统硬件设计
整个系统由软件系统和硬件系统两部分组成。本章详细介绍了系统的硬件设计，并对硬件的每一个部分进行了分析。硬件设计的每一个环节完成相应的功能，并组成一个统一的整体。在对控制系统分析的基础上，对所用的元器件进行选型，PLC地址分配，最后对系统硬件进行总体设计。
3.1 控制系统分析及元件选择
本设计的加工集中控制系统是可编程控制器（PLC）为主要控制其，需要进行控制的是整个工艺流程的实现。通过可编程控制器（PLC）与电机（包括砻谷机、振荡电机、碾米机、真空泵及鼓风机）以及其他外部硬件（电磁阀，传感器）相连实现了整个大米加工生产线集中控制系统的设计。
本次设计的控制系统的结构示意图，如图3.1所示：
光电开关
谷仓
吸料漏斗
预量漏斗
称量漏斗
垄谷缸
垄谷电机
碾米缸
KV1

KV3

KV4

KV2

KV6

KV5

KV7

鼓风机
KV8

KV9

碾米电机
KV10

KV11

KV12

电动阀KV15
振动电机
空气电磁阀KV14
排气电磁阀KV13
真空泵
行程开关1
行程开关2
KV16

图3.1系统结构示意图

其主要工作原理如下：
接通电源后，将设备模式旋转到自动定量输送物料模式，将所有阀门旋转到关闭位置；按下启动按钮，利用真空泵把原料吸进吸料漏斗内，等光电开关1检测到原料到位后，关闭真空泵，打开吸料漏斗开关门电磁阀KV1吸料漏斗空气阀KV16，使原料由吸料漏斗落入预量漏斗；
重复该步骤直至光电开关2检测原料到位后，关闭KV1，打开预量漏斗开关门电磁阀KV3，KV2及预量漏斗开关门电磁阀KV4，KV5，让原料快速落入称量漏斗内，达到设定时间后，关闭所打开的KV3，KV2及KV4，KV5，，进行称量，称量结束后，把所测量的数值传送给MCGS触摸屏；
完成称量步骤后，打开称量漏斗高压空气电磁阀KV6，KV7，让待加工的原料由称量漏斗落入砻谷缸内。启动砻谷电机，进行砻谷，待到砻谷结束后启动鼓风机，让脱出的稻谷壳与糙米分离开来；
分离后，打开砻谷缸高压空气电磁阀KV8，KV9，垄谷缸开关门电磁阀KV10，让糙米快速落入碾米缸内，达到设定时间后，关闭KV8，KV9，KV10，启动碾米电机，碾米结束后，启动振动电机，利用振动筛选取合格大米，最后打开空气电磁阀KV14，碾米缸高压空气阀KV11，KV12，电动阀KV15，把加工好的大米送入料仓。
3.1.1控制系统分析
根据课题设计要求及大米加工生产线集中控制系统的特点，对系统的控制分析如下：
1．打开电源开关后，设定加工方式：自动或手动，并设定原料重量。
2．按下启动按钮，利用真空泵把原料吸进吸料漏斗内。由吸料漏斗落入预量漏斗，再由预量漏斗落入称量漏斗。通过称重传感器实现自动称量控制。
3．原料由称量漏斗进入砻谷缸，通入空气，由压力传感器测量缸内压力，光电传感器检测原料位置，实现自动砻谷控制。
4．砻谷完毕，启动鼓风机进行谷糙分离，分离出的糙米进入碾米缸继续加工，加工后，自动打开缸门，利用高压空气将经过筛选的大米送入料仓。
3.1.2 元器件选择及依据
根据控制系统的各项分析以及对元器件的要求，为满足系统功能，系统需要的主要元器件有PLC控制器、压力传感器、称重传感器、光电传感器、砻谷机、碾米机、电磁阀等，下面对几个主要的器件功能进行介绍：
1.三菱FX-2N PLC介绍
三菱FX-2N运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。所以本设计应用此系列的PLC。
图3.2 带有扩充模块的三菱FX-2N CPU 模块

FX-2N基本单元由中央处理器（CPU）、电源以及数字量输入输出单元组成。这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中。
图3.3 称重传感器外形

在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCII code印刷，HEX ASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。
2.称重传感器的介绍
智能化称重传感器是近些年来的开发热点。智能传感器的定义在各国传感器杂志上讨论多年，直到90年代初才有了比较一致的看法:把凡具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测和处理、逻辑判断、双向通讯、自检、自校、自补偿、自诊断和计算等全部或部分功能的器件叫做智能传感器。智能传感器可以是集成的，也可以是分离件组装的。数字式智能称重传感器正是按此思路发展和应用的，同样有两种结构形式，即整体型和分离型[11]。
整体型是在称重传感器内部安装有放大、滤波、A/D转换、微处理器芯片和温度敏感元件等组成数字处理电路，利用微处理器已存入的软件，实施各项数字补偿工艺进行各项性能调整和测试，最后采用电子束焊或激光焊进行密封。数字式智能称重传感器的制造工艺完全不同于模拟式称重传感器，主要是两个环节:其一弹性体贴片组成惠斯登电桥电路后，通过试验测试建立数字补偿工艺要求的各项数学模型，形成便于程序化计算的公式。其二是根据数学模型编制出简单实用的补偿计算软件，存储在微处理器芯片中进行各项误差修正和补偿。软件技术主要有数字滤波技术，标度变换技术，数字调零技术，温度补偿技术和线性补偿技术等。同时还应解决抗射频干扰(RFI)、电磁干扰(EMI )和闪电引起的电瞬变等过压保护问题。分离型是将放置在称重传感器内部的A/D转换等数字处理电路移至一个外部接线盒内，将普通的模拟式称重传感器接入数字接线盒后，其输出便以数字信号传输给与其配套的称重显示控制仪表。通常把模拟式称重传感器加数字接线盒模式称为模块化数字称重传感器系统。模拟式称重传感器基本上是手工化生产，人为的因素对产品质量影响较大，数字式智能称重传感器基本上是自动化生产，排除了人为因素对产品质量的影响。数字式智能称重传感器具有输出信号大，抗干扰能力强，信号传输距离远，易实现智能化控制等特点，较广泛的应用于大型电子平台秤、电子汽车衡，结构复杂的电子料斗秤、电子容器秤和大死载、小活载的特殊电子秤。
NS-TH16系列智能（数字）称重传感器结构简单、坚固、安装方便、抗振动冲击力强，采用先进的微处理技术和数字通讯技术,全密封结构，防水、防腐。被广泛应用在自动化控制系统中，作为称量、测力等自动控制元件。所以本设计采用此类型的称重传感器。
3 砻谷机的介绍
本次设计所选用的HR10C是佐竹（苏州）机械有限公司的最新研制的砻谷机，它具有以下特点：
1. 脱壳率高且保持稳定，本机采用自动控制操作，脱壳率在90%左右，能在生产过程中保持稳定的脱壳率；
2. 操作调节方便，本机通过气动控制辊间压力，有料位器与之连接，断料可立即松辊，来料自动延时紧辊；
3. 运转平稳，机器主要回转件都经动平衡检验，所以运转平稳，振动小；
表3.1 砻谷机主要参数
型号
HR10C
加工能力
长粒稻 3-5t/h
短粒稻 4-6t/h
所需功率
7.5kw-4p, 52W+3.7kw-4p, 0.1kw
主轴转速
HU 10FT 1150转/分
HA 10W(2) 1400转/分
橡胶辊尺寸
直径：10英寸，宽：10英寸
橡胶辊硬度
87°±5°
净重
HU 10FT 410kg
HA 10W(2) 890kg
4 碾米机的介绍
新型立式碾米机的设计思想是近百年来立式碾米经验的积累。该机汇集了许多立式碾磨的最新技术，它广泛使用在美国、欧洲和亚洲国家的许多主要加工厂中。用于加工不同等级白米的VTA系列是现代大米加工工业的理想设备，其具有以下特点：
1.加工产量高、破碎低，在碾磨过程中，由于采用了新研制的最佳碾磨室，因此大米产量提高，破碎减少，水分损失小；
2.操作调节方便，通过卸料门压力调整即可容易地获得所需的研白精度；
3.部件易于更换，砂辊能很容易从机器顶部抽出。筛片设计从机器旁边取出，在不拆除机器框架情况下，筛片更换迅速、容易。全部其 它部件易于操作、易于更换；
4.部件使用寿命长，由于碾白室进行了特殊的热处理以及它受到均匀一致的较小压力，从而该磨损部件的使用寿命延长；
5.机器内部的米糠残留量最少，碾白室的下部有回转式排出器，有助于米糠顺利排出机外；
6.结构设计紧凑，特殊设计的碾白室几乎是传统设备碾白面积的两倍，而且该机占地小，产量高；
表3.2 砻谷机主要参数
型号
VTA7C
糙米处理量
4-6(t/h)
电机
37kw-6p
主轴转速
700r.P.m
风量
40m3/min
静压
-100- -150mmAq
外形尺寸
1,447×850×1,989(mm)
5 触摸屏的介绍
本次设计采用MCGS触摸屏，MCGS 即"监视与控制通用系统"，英文全称为Monitor and Control Generated System。
作为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件MCGS，它的功能十分完善，不仅操作简便、可视性好，而且具有可维护性强等突出特点。MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统。
在这次大米加工生产线集中控制系统的设计中，触摸屏的使用加深了自动化的程度，我们不仅可以通过PLC的在上位机的线上监控功能查询加工情况，更能直接通过MCGS直观图像获取我们大米加工所进行的流程，大米实时加工量，及历史加工量的记录，也能直观的找到报警记录，同时我们可以直接在触摸屏上对加工物料量进行调整设置等，极大地便利了加工生产线的操作。
系统所需主要元器件及功能要求表如下所示。
表3.3 系统所需主要元器件及功能要求
序号
器件名称
规格
数量
性能
1
PLC控制器
三菱FX-2N系列
1
控制大米加工工作流程
2
昆仑通态触摸屏
TPC7062KS
1
监控生产流程
3
光电开关
SA3M-1K
2
用于检测称量漏斗和预量漏斗的原料到位情况
4
称重传感器
NS-TH16
1
用来测稻谷的重量
输出0～10V
量程：0～500Kg
5
真空泵
1.5Kw
1
通过真空管把原料颗粒吸入吸料缸内
6
振动电机
0.5Kw
1
电机振动使碎米粒筛选出去
7
鼓风机
3．7Kw
1
通过鼓风将谷糙分离
8
砻谷机
HR10C
1
给稻谷脱壳
9
碾米机
VTA7C
1
糙米
3.2 控制系统的硬件设计
对系统进行硬件设计，主要包括I/O点数的估算、模块选型、I/O地址分配和电路设计。
3.2.1 PLC控制系统I/O点数的估算
由大米加工生产线集中控制系统的PLC自动控制结构示意图以及工艺流程图可得：大米加工生产线集中控制系统需要两个模拟量输入通道：1个称重传感器检测原料重量，1个压力传感器用来检测砻缸内的压力。系统还要求6台电机运行，所以需接接触器线圈。还应用到大量的电磁阀及少量的开关和按钮等器件。
所需各元器件功能及所占PLC输入输出点数见表3.2，表3.3，表3.4。
由表可知，本次设计的泡沫发泡机控制系统的输入模拟量是2个通道，输入开关量点数是6，输出点数是22。
表3.2 模拟量输入所需各元器件功能及所占PLC通道
项目名称
模拟量输入通道
备 注
总通道
称量测量变送模块
1
一次砻谷所需原料颗粒的重量
1个通道
表3.3 开关量输入所需各元器件功能及所占PLC点数
项目名称
开关量输入点数
备注
总点数
按钮
3
启动与停止
X点：7
光电开关
2
检测原料到位情况
电动阀开关门到位
2
出料开关门情况控制
表3.4 开关量输出所需各元器件功能及所占PLC点数
项目名称
开关量输出点数
备注
总点数
电磁阀
16
控制原料落入，空气输入等
Y点：22
报警
1
在压力过高时进行自动报警
接触器线圈
8
控制6台电机的运转
3.2.2 PLC及主要模块的选型
FX-2N主机的型号规格种类较多，以适应不同需求的控制场合。三菱公司FX-2N系列产品有：FX-16MR、FX-32MR、FX-48MR、FX-64MR、FX-80MR、FX-128MR。FX-48MR系列产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。
根据需求本设计用FX-48MR模块，其I/O总数为48点。FX2N-48MR-001是日本三菱公司的可编程控制器(PLC), 继电器输出及输入24点,输出24点.FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8Kb，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。
模拟量信号是—种连续变化的物理量，如电流、电压、温度、压力、位移、速度等。工业控制中，要对这些模拟量进行采集并送给PLC的CPU，必须先对这些模拟量进行模/数(A/D)转换。模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成PLC所能接受的数字信号的。生产过程的模拟信号是多种多样的，类型和参数大小也不相同，所以，一般先用现场信号变送器把它们变换成统一的标准信号(如4—20mA的直流电流信号、1～5V的直流电压信号等)，然后再送入模拟量输入模块将模拟且信号转换成数字量信号，以便PLC的CPU进行处理。模拟量输入模块一般由滤波、模数(A／D)转换，光耦合等部分组成。光耦合器有效地防止了电磁干扰，对多通道的模拟量输入单元，通常设置多路转换开关进行通道的切换，且在输出端设置信号寄存器。
模拟量输入模块设有电压信号和电流信号输入端。输入信号经滤波、放大、模/数(A/D)转换得到的数字量信号，再经光耦合器进入PLC内部电路[14]。
本次设计就采用FX2N-4AD的4通道模拟量特殊模块。FX2N-4AD模拟特殊模块有四个输入通道。输入通道接收并将其转换成数字量，这称为A/D转换。FX2N-4AD最大分辨率是12位，基于电压或电流的输入/输出的选择通过用户配线来完成，可选用的模拟值范围是-10V到10VDC(分辨率5mV),或者4到20mA,-20到20mA(分辨率:20μA) FX2N-4AD和FX2N主单元之间通过缓冲存储器交换数据，FX2N-4AD共有32个缓冲存储器(每个16位)，FX2N-4AD占用FX2N扩展总路线的8个点.这8点可以分配成输入或输出.FX2N-4AD消耗FX2N主单元成有源扩展单元5V电源30mA的电流。
3.2.3 控制系统的I/O地址分配
由上述对I/O点的估算，根据控制系统要求利用PLC控制的信号的分布情况，综合考虑各输入、输出点的性质，对各输入、输出点进行分组分配。其对应PLC输入/输出地址分配如表3.5所示。
表3.5 输入/输出信号地址分配表
输入
输出
序号
名称
I分配
序号
名称
Q分配
S1
系统启动
X0
KV13
排气电磁阀
Y0
S2
系统停止
X1
KV1
吸料漏斗开关门电磁阀
Y1
S3
系统紧急停止
X2
KV2
预量漏斗开关门电磁阀
Y2
S4
触摸屏集中控制
X3
KV3
预量漏斗高压空气电磁阀
Y3
S5
行程开关1
X4
KV4
Y4
S6
行程开关2
X5
KV5
称量漏斗高压空气电磁阀
Y5
S7
光电开关
X6
KV6
Y6

KV7
称量漏斗开关门电磁阀
Y7

KV8
砻谷缸高压空气电磁阀
Y10

KV9
Y11

KV10
垄谷缸开关门电磁阀
Y12

KV11
碾米缸高压空气电磁阀
Y13

KV12
Y14

KV14
空气电磁阀
Y15

KV15
电动阀
Y16

KV16
吸料漏斗高压空气阀
Y17

LH1
阀门受阻报警
Y20

KM1
抽真空
Y21

KM2
搅拌机运行
Y22

KM3
鼓风机运行
Y23

KM4
振动电机运行
Y24

KM5
垄谷电机运行
Y25

KM6
碾米电机运行
Y26

KM7
出料开关门电动阀正转
Y27

KM8
出料开关门电动阀反转
Y30

3.2.4 控制系统电路设计
为了保证大米加工集中控制系统的高度可靠性，在系统设计过程中，采用了一系列控制措施。如接直流电源的输出口并联反向二极管续流电路，接交流电源的输出口并联RC构成续流电路，用以防止断电产生高压，击坏PLC输出口。
在对PLC供电时，是通过了ARV稳压电源再给PLC供电的，这种高精度全自动交流稳压器AVR系列是引进了台湾技术并结合我国电力实况设计而开发的一种新型高精度全自动交流稳压器，广泛应用于PCB、CNC等多种进口机械设备中。产品具有容量大、精度高、无波形畸变，并具有过压、欠压、过载自动保护功能。使用安全可靠，维护简便。这样不仅可以防止人员触电事故，也能保证整个控制系统供电的稳定性。
在对各个电机供电时，是经过断路器、接触器及热继电器后再给电机供电的，这样对电路的过压、过流、过载及欠压等常见故障能迅速起到自动保护作用。
电机接线图见附录A。

第4章 控制系统的软件设计
在对控制系统进行分析和硬件设计的基础上，根据PLC控制系统工艺流程和系统控制要求，对PLC进行了软件设计。
4.1 PLC控制系统的流程图
根据设计的要求，PLC实现以下功能:
真空吸料：用一台真空泵将待加工原料吸入吸料漏斗，保证原料的称料供应；
称量设定：面板人工设置一次加工稻谷需要量，通过称重传感器实现自动称量控制；
垄谷控制：检测垄谷缸内的原料位置，到达设定值时实现自动砻谷控制；
大米接收：砻谷完毕，启动鼓风机进行谷糙分离，分离出的糙米进入碾米缸继续加工，加工后，自动打开缸门，利用高压空气将经过筛选的大米送入料仓。
根据系统工艺对控制的要求，可详细写出控制系统的流程图，系统的PLC流程图如图4.1所示：
开始

电磁阀门KV1，KV16打开通入高压空气，使稻谷迅速落入预量漏斗。
Y
N
光电传感器1
有信号？
真空泵运行，稻谷进入吸料缸内。
KV5、KV6、KV7 OFF；砻谷电机 ON；
Y
N
放料结束？
KV2、KV3、KV4 OFF；KV5、KV6、KV7 ON，使稻谷迅速落入砻谷缸。
Y
N
称量结束？
Y
N
放料结束？
KV1、KV16、真空泵OFF；KV2、 KV3、KV4 ON，使稻谷迅速落入预量漏斗。
Y
真空泵持续运行
N
光电传感器2
有信号？
图4.1系统流程图
振动电机、KV14、KV11、KV12、KV15 OFF，一次大米加工结束，等待下次加工指示
Y
N
放料结束？
碾米电机OFF；振动电机、KV14、KV11、KV12、KV15 ON，筛选的大米进入料仓
Y
N
碾米结束？
鼓风机、KV8、KV10、KV9 OFF；碾米电机ON；
N
Y
放料结束？
砻谷电机 OFF； 鼓风机、KV10、KV8、KV9 ON；筛选的糙米进入碾米缸
Y
N
砻谷结束？
4.2 PLC常用的程序设计方法
应用程序设计过程中，应正确选择能反映生产过程的变化参数作为控制参量进行控制；应正确处理各执行电器、各编程元件之间的互相制约、互相配合的关系，即联锁关系。应用程序的设计方法有多种，常用的设计方法有经验设计法、顺序功能图法等[16]。
1.经验设计法
经验设计法要求设计者具有较丰富的实践经验，掌握较多的典型应用程序的基本环节。根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验选择基本环节，并把它们有机地组合起来。其设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳方案，程序初步设计后，还需反复调试、修改和完善，直至满足被控对象的控制要求。
经验设计法的设计不规范，没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性，对于同一被控对象，设计出的程序不是惟一的，程序设计的质量与设计者的经验有关。对于复杂的控制系统的设计，由于联锁关系复杂，用经验设计法进行设计一般难于掌握，且设计周期较长，设计出的程序可读性差，即使有经验的工程师阅读它也很费时。同时，给日后产品的使用、维护带来诸多不便。对于简单的控制系统的设计，用经验设计法进行设计简单、易行，可以收到明显的效果。对于一些旧设备的改造也可采用经验
设计法，借鉴原设备继电器控制电路图，并综合考虑PLC特点，加以修改和完善，可较方便地得到符合控制要求的程序。
2.顺序功能图法
顺序功能图（SFC，Sequential Function Chart）采用IEC标准的语言，用于编制复杂的顺控程序。利用这种先进的编程方法，初学者也很容易编出复杂的顺控程序，大大提高了工作效率，也为调试、试运行带来许多言传的方便。顺序功能图用以全面描述控制系统的控制过程、功能和特性，而不涉及系统所采用的具体技术没。顺序功能图主要由步、有向连线、转换和转换条件及动作（或命令）组成。
顺序功能图指令可以用梯形图表示，在顺序功能图中，将状态（S）看作是一个控制工序，从中将输入条件与输出控制按顺序编成。这种控制的最大特点是在工序进行时，与前一工序不接通，以各道工序的简单顺序，即可控制设备。
本次的大米加工生产线集中控制系统既可以选择一般的梯形图，也可选用顺序功能图，最终选择经典的梯形图。
4.3 系统程序的编写
4.3.1 主要程序模块
1.报警系统
在PLC控制系统发生事故、故障时都应发出报警信号，一般是声光报警信号。在整个工艺流程中必须注意做好实时报警检测，因为在整个流程中如果中间出现故障又不能及时地发现并处理的话，对整个大米加工生产线控制系统来说都是非常大的损失。

2.真空吸料
通过真空管用一台真空泵将待发原料吸